Способ формирования самообжигающегося анода алюминиевого электролизера с верхним подводом тока

 

Использование: электролитическое получение алюминия, точнее совершенствование способа формирования самообжигающего анода электролизера с верхним подводом тока. Технический результат - снижение расхода анодной массы, электроэнергии, выхода угольной пены, повышение производительности электролизера. Сущность: загрузку анодной массы с повышенным содержанием связующего, предназначенную для перестановки штырей, осуществляют непосредственно в проекцию размещения продольных рядов токоподводящих штырей в плане анода, ограниченную плоскостями, проходящими снаружи внутреннего и наружного рядов штырей каждой из продольных сторон электролизера, остальную поверхность анода загружают "сухой" массой. Загрузку массы с повышенным содержанием связующего могут осуществлять в направлении от внутренних рядов штырей к наружным после загрузки "сухой" массы, а верхний уровень анодной массы в проекции штырей поддерживают выше верхнего уровня остальной части анода. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия, и касается совершенствования способа формирования самообжигающегося анода электролиза с верхним подводом тока.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является известный способ формирования самообжигающегося анода алюминиевого электролизера, согласно которому загрузку анодной массы для заполнения отверстий из-под штырей осуществляют в прилегающие к длинным сторонам анодного кожуха части анода, ширину которых устанавливают, исходя из схемы размещения токоподводящих штырей в плане анода, равной 0,15-0,35 ширины анода каждая, а "сухой" массой загружают среднюю часть анода, причем загрузку прилегающих к длинным сторонам анодного кожуха частей анода осуществляют массой с содержанием связующего на 2-10% выше его содержания в массе, загружаемой в среднюю часть анода [1] Загрузка анодной массы для заполнения отверстий из-под штырей ("жирной" анодной массы) в прилегающие к длинным сторонам кожуха части анода и "сухой" массы в средней части анода не устраняет всех отрицательных факторов, связанных с эксплуатацией анодов, полностью сформованных из "жирной" массы. Известному способу присущи такие явления, как образование оплавленной массы на внутренней поверхности верхней части анодного кожуха (настыль). Это связано с недостатком прихода тепла на расплавление "жирной" анодной массы на данном участке анодного устройства. В результате, при подъеме анодного кожуха происходит разрыхление боковой поверхности анода на границе жидкого и скоксованного. Туда подтекает наиболее жидкая часть анода, обогащенная связующим (отстой пека). Это приводит к возрастанию неоднородности анода, формированию пекового слоя на его боковой поверхности, и как следствие, осыпанию частиц углерода в нижней высокотемпературной части анода, образованию "шеек" и развитию трещиноватости на периферии, что, в конечном счете, вызывает протеки жидкой анодной массы под кожух при его поддергивании, выделение вредных веществ в атмосферу, ухудшение качества анода и неравномерное распределение тока. Следовательно, возрастает расход анодной массы, электроэнергии, выход угольной пены, снижается производительность электролизера, ухудшается экологический фон.

Поскольку анодный кожух поднимают не реже одного раза в сутки, загрузку свежих порций анодной массы ведут периодически раз в 3-5 суток, а перестановку штырей раз в 10-12 суток, то фактор расхода связующего на периферии анода при подъеме кожуха является, для известного способа, доминирующим. Следовательно, состав "жирной" массы, предназначенной для перестановки штырей, не может быть в этом случае постоянным при использовании известного изобретения. Это снижает качество "вторичного" анода и не обеспечивает стабильность пропитки "сухого" анода связующим анодной массы из зоны токоподводящих штырей. Наконец, наличие анодной массы с повышенным содержанием связующего на периферии анода, и анодной массы с пониженным содержанием связующего в центральной части анода вызывает формирование конуса спекания более выраженной конфигурации, а именно, в центральной части содержащей "сухой" анодную массу, высота конуса спекания несколько увеличивается по сравнению с анодом, сформированным полностью из "жирной" анодной массы. Естественно, при одном и том же приходе тепла высота конуса спекания на периферии анода при этом соответственно снижается. Как известно, это вызвано различием в величинах теплоемкости и теплопроводности между анодной массой с пониженным содержанием связующего и с повышенным его содержанием. В результате, происходит возрастание неравномерности распределения плотности тока между внутренними и наружными рядами штырей, что приводит к возрастанию падения напряжения в аноде, развитию его трещиноватости, возрастанию общей высоты анода, перерасходу анодной массы. Понятно, что требуемый объем и состав "жирной" массы в аноде определяется режимом самопроизвольного заполнения подштыревых отверстий при извлечении штырей и необходимостью стабильного состава этой массы. Таким образом, требуется, чтобы масса для заполнения подштыревых отверстий в аноде поддерживалась возможно более однородной. Известный же способ не обеспечивает условия однородности "жирной" массы вследствие движения жидкого анода на периферию при подъеме кожуха. Происходит "размывание" жидкого анода. Состав анодной массы не стабилен, отличается от исходного.

Сущность заключается в том, что способе формирования самосжигающегося анода алюминиевого электролизера, с установленными в нем продольными рядами токоподводящих штырей, включающем загрузку анодной массы с пониженным содержанием связующего ("сухой" массы) в среднюю часть на поверхность анода и массы с повышенным содержанием связующего для заполнения отверстий при перестановке штырей ("жирной" массы), загрузку массы с повышенным содержанием связующего осуществляют в проекцию размещения продольных рядов токоподводящих штырей в плане анода, ограниченную плоскостями, проходящими снаружи внутреннего и наружного рядов штырей каждой из продольных сторон электролизера, остальную поверхность анода загружают "сухой" массой. При этом загрузку массы с повышенным содержанием связующего осуществляют в направлении от внутренних рядов токоподводящих штырей к наружным после загрузки массы с пониженным содержанием связующего, а верхний уровень загрузки анодной массы в проекции рядов штырей поддерживают выше верхнего уровня остальной части анода.

При загрузке анодной массы с повышенным содержанием связующего в проекции размещения продольных рядов токоподводящих штырей в плане анода, а на остальную поверхность анода "сухую" массу, исключается перетекание жидкой анодной массы из проекции штырей за счет наличия "сухой" массы с обоих сторон части анода, содержащей массу с повышенным содержанием связующего. Это стабилизирует состав обоих видов анодных масс и обеспечивает частичное проникновение избыточного количества связующего в "сухую" массу центральной и периферийной частей анода. Это позволяет точно подобрать состав анодной массы с повышенным содержанием связующего и "сухой" анодной массы. В результате, формируется анод стабильного состава по всем частям. При перестановке штырей облегчится задача формирования вторичного анода постоянного состава. Повышается качество анода.

Наличие анодной массы с повышенным содержанием связующего непосредственно в проекции токоподводящих штырей, являющихся источниками тепла в аноде, приводит к выравниванию температурного поля анода в поперечном сечении за счет повышенной теплопроводимости жидкой анодной массы по сравнению с "сухой" массой, позволяет отводить часть избыточного тепла от центральной части анода, содержащей "сухую" массу. С другой стороны, наличие "сухой" массы в прилегающих к продольным сторонам кожуха частях анода позволяет несколько увеличить теплосодержание в периферии неспеченных частей анода. Выравнивание температурного поля анода приводит к выравниванию конуса спекания, его токопроводящей части. Тем самым токовая нагрузка в плане анода становится более равномерной.

Отвод части избыточного тепла от центральной части анода, сформированного из "сухого" анода, в жидкую часть анода позволяет долю связующего в анодной массе, предназначенной для заполнения подштыревых отверстий, применить связующее с более высокой температурой плавления (высокотемпературный пек). Это повышает качество "вторичного" анода, снижает выделение вредных веществ в атмосферу корпуса.

Наконец, наличие "сухой" массы в непосредственно прилегающих к продольным сторонам анодного кожуха частях анода уменьшает вероятность образования настыли на внутренней поверхности верхнего пояса анодного кожуха за счет меньшей доли связующего в анодной массе, требующей тепло для расплавления. За счет уменьшения настыли из анодной массы не происходит разрыхление боковой поверхности анода. Исключается также подтекание жидкой массы из-за отсутствия таковой, формируется ровная боковая поверхность анода, без "шеек", пекового слоя и трещин. Все это улучшает качество анода, исключает протоки анодной массы под кожух. Уменьшается осыпаемость анода, снижается расход анодной массы, выход угольной пены, выделение вредных веществ в атмосферу, возрастает производительность электролизера.

Загрузка анодной массы с повышенным содержанием связующего в направлении от внутренних рядов штырей к наружным, причем после загрузки "сухой" массы улучшаются условия расплавления массы, усреднения и стабильности ее состава, поскольку количество тепловыделений в зоне внутренних рядов штырей несколько выше, чем в зоне наружных. Указанная последовательность загрузки массы также улучшает условия пропитки "сухой" массы избыточным количеством связующего из зоны расположения штырей.

Поддержание верхнего уровня жидкой анодной массы в проекции штырей выше общего верхнего уровня остального анода улучшает условия пропитки связующего на границе "сухого" анода за счет подпора гидростатистического столба жидкой анодной массы. Этот же фактор улучшает процесс заполнения подштыревых отверстий при перестановке штырей. Все это также улучшает качество анода.

Способ может быть реализован без применения каких-либо дополнительных устройств и с применением устройства.

На фиг.1 показан существующий анод алюминиевого электролизера с верхним токоподводом, состоящий из анодного кожуха 1, контактирующего с прилегающими периферийными частями 2 углеродсодержащего самообжигающегося анода, токоподводящих стальных штырей 3, расположенных в продольных рядах (оси P - наружные ряды, оси Q внутренние ряды) с обеих сторон относительно продольной оси анода. Проекция рядов штырей 3 по обеим сторонам продольной оси анода образует часть 4 анода, ограниченную мнимыми плоскостями 5, проходящими снаружи наружного и внутреннего рядов штырей 3 каждой продольной стороны анода, в торцевых участках анода зона 4 может быть ограничена мнимой плоскостью 5. Между частями 4 анода образуется центральная часть 6 анода.

Способ реализуют следующим образом. По мере расхода анода в процессе электролиза в центральную часть 6 и периферийные части 2 анода загружают анодную массу с пониженным содержанием связующего ("сухую" массу), а в проекцию рядов штырей (части 4 анода) загружают анодную массу с повышенным содержанием связующего, предназначенную для перестановки штырей. Загрузку массы с повышенным содержанием связующего могут производить в направлении от внутренних рядов штырей к наружным после загрузки массы с пониженным содержанием связующего в центральную часть 6 и периферийные части 2 анода. Верхний уровень анодной массы в проекции штырей 3 (части 4 анода) могут также поддерживать выше верхнего уровня остальной части анода.

Примеры реализации способа.

Самообжигающийся анод опытного промышленного алюминиевого электролизера с верхним токоподводом типа С-8Б на силу тока 156 кА формируют загрузкой анодной массы с пониженным содержанием связующего в центральную и периферийные части анода, а массу с повышенным содержанием связующего в проекцию рядов токоподводящих штырей, уровень а/массы во всех частях анода поддерживают одинаковым (пример 1).

Анод другого опытного аналогичного электролизера формируют согласно первому опытному электролизеру. При этом, в начале загружают "сухую" анодную массу, а затем анодную массу с повышенным содержанием связующего в направлении от внутренних рядов штырей к наружным, уровень а/массы также везде одинаков (пример 2).

Анод другого опытного электролизера формируют аналогично первому и второму примерам. При этом, верхний уровень анодной массы с повышенным содержанием связующего в проекции штырей поддерживают выше верхнего уровня остальной части анода на 30-50 мм (пример 3).

Состав "сухой" анодной массы во всех электролизерах одинаковый 27,5 процентов связующего. Состав "жирной" анодной массы в электролизере-прототипе меняли корректировкой доли связующего для сохранения возможности самопроизвольного заполнения отверстий при перестановке штырей. Анод-свидетель сформирован из жирной массы, широко используемой на отечественных алюминиевых заводах.

Ведут электролиз алюминия на всех опытных электролизерах в течение 9 месяцев. Осредненные технико-экономические результаты испытаний предлагаемого способа отражены в табл. 1.

Результаты испытаний показывают, что использование изобретения позволяет снизить расход анодной массы с повышенным содержанием связующего на 2,3% по сравнению с прототипом, поддерживать меньшую долю связующего в массе, предназначенной для перестановки штырей и с меньшим колебанием этой доли, чем в свидетеле и прототипе. При этом, отсутствие "жирной" массы на периферии анода существенно уменьшает ширину настыли в верхней части анодного кожуха, что снижает ее отрицательное влияние за качество анода, исключает протеки массы под кожух. В результате, значительно снижается расход анодной массы, падение напряжения в аноде, выход угольной пены. Соответственно значительно улучшается кинетика электродных процессов, тем самым несколько возрастает производительность электролизера.

На фиг. 2 показано анодное устройство для реализации изобретения (поперечный разрез). Устройство содержит продольные перемычки 5, выполненные из теплопроводящего материала, например алюминия, частично погруженные в неспеченную часть анода, не достигая конуса спекания 8. Перемычки 5, опирающиеся на поперечные контрфорсы 9 анодного кожуха 1, образуют часть 4 анода, являющуюся проекцией рядов штырей 3, в которую загружают анодную массу с повышенным содержанием связующего, предназначенную для перестановки штырей. За счет применения перемычек 5, часть 4 анода, являющаяся проекцией рядов штырей 3, может иметь значительно более высокий уровень жидкой анодной массы, чем остальные части анода. В табл. 2 представлены осредненные результаты испытаний в течение 9 месяцев опытного электролизера типа С-8Б с использованием перемычек 5 в верхней части анода, формируемого согласно изобретению. Верхний уровень анодной массы с повышенным содержанием связующего в частях 4 анода поддерживают на 100-150 мм выше остальных частей анода за счет снижения уровня "сухой" массы.

Судя по полученным результатам, применение перемычек 5 позволяет стабилизировать состав анодной массы с повышенным содержанием связующего, причем, за счет этого снижается расход "жирной" анодной массы. Содержание связующего в массе для перестановки штырей превышает лишь на 1% в сравнении с "сухой" массой, за счет большей разницы в уровнях массы в частях 4 и 6 анода обеспечивается лучшая пропитка границы этих частей и лучшая их спекаемость. Одновременно, использование перемычек 5 в качестве теплоотводящих элементов улучшает качество анода, что приводит к некоторому снижению падения напряжения в аноде, снижению расхода анодной массы.

Дополнительным эффектом от использования предлагаемого изобретения может служить снижение выбросов вредных веществ в атмосферу и трудозатрат.

Формула изобретения

1. Способ формирования самообжигающегося анода алюминиевого электролизера с верхним подводом тока с установленными в нем продольными рядами токоподводящих штырей, включающий загрузку анодной массы с пониженным содержанием связующего в среднюю часть на поверхность анода и массы с повышенным содержанием связующего для заполнения отверстий при перестановке штырей, отличающийся тем, что загрузку массы с повышенным содержанием связующего осуществляют в проекцию размещения продольных рядов токоподводящих штырей в плане анода, ограниченную плоскостями, проходящими снаружи внутреннего и наружного рядов штырей каждой из продольных сторон электролизера, остальную поверхность анода загружают массой с пониженным содержанием связующего.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что загрузку массы с повышенным содержанием связующего осуществляют в направлении от внутренних рядов токоподводящих штырей к наружным после загрузки массы с пониженным содержанием связующего.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что верхний уровень анодной массы в проекции размещения штырей поддерживают выше верхнего уровня остальной части анода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3